基于虛擬仿真的民用大飛機客艙內飾創(chuàng)新設計初探

李禾煦 黃念一 龔子怡

摘要：隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們探索新知識的方法逐漸多元化。設計從徒手手繪到建模渲染，再到現(xiàn)在能直接通過虛擬仿真技術讓人身臨其 境。虛擬仿真技術自20 世紀80 年代誕生，幾十年的發(fā)展逐漸成熟，并逐步應用于各個領域，但在民航大飛機客艙內飾研究上還未得到充分發(fā)揮與體現(xiàn)。文章針對虛擬仿真技術應用于民用飛機內飾設計進行了初步探索，提供進行具有增強現(xiàn)實感受沉浸式的客艙內飾創(chuàng)新設計方法，在飛機客艙內飾設計的領域進行創(chuàng)新，探究飛機客艙內飾創(chuàng)新設計的可行性方法。

關鍵詞：虛擬仿真 飛機內飾 人機交互 設計創(chuàng)新 Unity3D

中圖分類號：J 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2023）20-0134-04

Abstract：With the continuous development of science and technology， the methods of exploring new knowledge are gradually diversified.Design from freehand drawing to modeling rendering，and now directly through virtual simulation technology to make people immersive.Virtual simulation technology was born in the 1980s，and has been gradually mature for several decades，and has been gradually applied in various fields. However，it has not been fully played and embodied in the research of cabin interior of civil aviation large aircraft.In this paper，the application of virtual simulation technology in civil aircraft interior design is preliminarily explored，and the innovative design method of cabin interior with augmented reality immersion is provided，and the feasibility of innovative design of airplane cabin interior is explored.

Keywords：Virtual simulation Aircraft interiors Man-machine interaction Innovation for design Unity3D

引言

CR929 是中俄國際商用飛機有限責任公司（籌）計劃研制的中國首款大型客機，為我國首架參與自主研發(fā)的寬體客機，是我國繼C919 后空客領域的又一重大突破。融入中華文化與國際風格，兼具創(chuàng)新、審美、舒適的客艙內飾設計有利于形成良好的中國名片，為我國航空產業(yè)升級、向航空大國進軍的道路打下了堅實基礎。虛擬仿真技術的研發(fā)與投入應用為設計領域提供了廣闊的發(fā)展空間，然而目前國內在客艙內飾設計領域引入虛擬仿真技術的先例較少，本文以之為創(chuàng)新點，前景之廣闊不容小覷。

一、虛擬仿真技術應用概述

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術所擁有的沉浸式本質能夠讓用戶充分深入所處的場景，并在模擬感知的影響下行動。另一方面，虛擬仿真技術極強的交互性也為用戶在虛擬環(huán)境下的行為自由度提供了支持。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，虛擬仿真技術逐漸發(fā)展成熟。目前，該技術已應用于游戲、教育、醫(yī)療、設計、商業(yè)活動等領域，甚至在軍事模擬演習方面也發(fā)揮了重要作用。近年來， 虛擬仿真在設計領域的應用研究也如雨后春筍。基于虛擬仿真技術的數(shù)媒藝術創(chuàng)作令創(chuàng)作者可以在虛擬空間中流暢地表達個性[1]，與公共服務平臺、云計算數(shù)據(jù)中心融合的智慧城市智慧家居讓市民與城市規(guī)劃面對面[2]。在此背景下，虛擬仿真技術在設計領域逐漸同設計師角色切換掛鉤，個性化設計方案在增加了模擬定制這一UE 設計環(huán)節(jié)后，為創(chuàng)新創(chuàng)意設計指引了新方向。

飛機設計中的仿真技術應用體系在不同設計階段均發(fā)揮著重要作用，而隨著虛擬仿真的計算機系統(tǒng)逐漸發(fā)展壯大，科技發(fā)達的國家在飛機設計方面已經(jīng)實現(xiàn)了對其的運用，促進了飛機設計水平的提高。例如，波音公司的V2 運輸機就是先在實驗室中造出虛擬機后再投入生產的。但是從整體的發(fā)展情況來看，虛擬現(xiàn)實技術并未在飛機的內部裝飾設計方面得到很好的應用。

基于虛擬仿真技術的開發(fā)工具很多，但在功能特點和應用領域各有不同。對各平臺進行調研時發(fā)現(xiàn)，目前虛擬仿真領域使用較多的有3 個平臺：VRML、Cult3D 和Unity3D。在進一步的了解中，總結了以下表格作為功能比較進行選擇。

由表1 可知，本項目立足于設計成果的展示和交互，且需要鏡頭場景的切換和較為逼真的渲染效果，因此綜合考慮選用Unity3D 作為最終的開發(fā)工具。

二、民用飛機客艙內飾設計現(xiàn)狀

（一）設計方法

目前國內外相關設計研究院及設計公司所用設計方法仍以計算機輔助設計樣機為主，比如Tangerine 公司和上海飛機設計所的設計流程，如圖1 所示為Tangerine 設計師坐在樣機實物上討論設計。

李童、徐江華等[3] 基于可供性理論為民航客艙內飾設計提供了新的角度，利用用戶與設計環(huán)境之間的“觸點”來將用戶體驗的整體感知轉換成可以被分析的具象化內容。而可供性理論研究也為定量化客艙內飾交互設計提供了土壤。

而在民航客艙內飾設計評估方面，則有西北工業(yè)大學工業(yè)設計研究所、博洛尼亞大學工業(yè)工程系在設計方法方面的融合創(chuàng)新。

初建杰、張美璇等[4] 使用李克特量表和語義差異法對市場上最具代表性的民航客艙內飾配色及材質進行了主觀意向實驗，并將參與實驗人群的反饋結果應用于設計，最后通過量表對該飛機客艙內飾設計的創(chuàng)新提供參考與引導。王偉偉、余隋懷等[5] 根據(jù)Fuzzy-AHP 算法開發(fā)了飛機客艙內環(huán)境設計評價系統(tǒng)，經(jīng)導入設計方案并計算出各個設計指標的權重后，通過編程實現(xiàn)了客艙內飾設計評價結果。De Crescenzio F. 等[6] 采用結合Unity3D 程序開發(fā)技術的HCD 方法實現(xiàn)設計方案舒適度評估，并在CAVE 環(huán)境搭建中實現(xiàn)了客艙內飾環(huán)境的虛擬仿真，如圖2 為參與者與儲物箱交互。

（二）設計方案

如圖3 為C919 客艙的內飾設計，以圓潤、和諧為基本出發(fā)點， 采用前后通透的內艙設計輔以飽滿的造型以及明快的色彩搭配，給人寬敞、舒適的視覺體驗。前服務空間柔和的曲面穹頂配合情景照明以及動態(tài)極光變化，實現(xiàn)了獨具一格的視覺效果。

如圖4 為ARJ21 的客艙設計，改變了民航領域傳統(tǒng)的圓弧造型， 線形簡潔輕快，內飾空間勻稱舒緩，具有良好的視覺擴張感，避免了狹管效應。在座艙布局上，ARJ21 飛機采用“3+2”的形式，自主設計的“蝴蝶”形服務空間和大行李箱設計，保證了每位乘客充分的自由空間。在細節(jié)設計上，富有動感的弧面天花板與客艙照明相輔相成， 創(chuàng)造了寬敞舒適的乘機環(huán)境。

阿蘇爾航空是一家廉價航空公司，但其外觀需要華麗且令人回味，強調經(jīng)濟性卻絕不廉價。如圖5 為阿蘇爾航空A350 客艙內飾， 為了讓經(jīng)濟艙、高級經(jīng)濟艙和商務艙3 個等級的客艙具有整體性效果， 機艙內需要采用多種顏色、裝飾和材質。設計團隊對標準的Stelia Solstys 座椅進行了巧妙的定制設計，帶給商務艙旅客更舒適的體驗。座椅儲存區(qū)經(jīng)過了重新設計，采用了典雅的皮革來包覆面板，配以阿蘇爾航空浮雕標識。色調搭配采用深淺不一的藍色，以溫馨、引人入勝的方式呈現(xiàn)，突顯了品牌形象。

三、基于虛擬仿真的客艙內飾創(chuàng)新設計流程

（一）設計方法總覽

如圖6 所示為基于虛擬仿真客艙內飾設計流程圖

（二）基于Unity3D 的動畫模擬實現(xiàn)

1. 虛擬仿真客艙環(huán)境搭建

為了讓內飾方案符合CR929 客艙環(huán)境各項參數(shù)，因此在進行方案設計前，先將各方面得到的已知資料圖片導入Unity3D 中進行沉浸式體驗，設身處地感受座椅坐高、過道間距、行李艙扶手高度等方面數(shù)據(jù)，并初步開展以設計者為主要視角的可供性方案設計。

根據(jù)數(shù)據(jù)初步建立基礎內飾樣機后，利用Unity3D 所記錄的CR929 客艙環(huán)境制作基礎動畫。Unity3D 等虛擬仿真開發(fā)平臺主要支持3ds Max 的模型以及渲染效果和C#、JavaScript 等編程語言， 因此在效果呈現(xiàn)時，本文采用以模型動畫為主，Inspector 腳本編輯器交互編程為輔的方法。

將模型導入后，最終將在Unity3D 中通過視角轉換來模擬乘客的乘機流程，設計方案重點關注：（1）在滿足立姿活動空間時行李艙艙門開合角度的動畫仿真；（2）在滿足人體坐姿雙腿活動空間時商務艙座椅腳托升降動畫仿真；（3）在滿足人體脊椎彎曲和姿態(tài)變化時經(jīng)濟艙座椅靠背角度調節(jié)動畫仿真。

在交互實現(xiàn)方面，利用Unity3D 作為虛擬仿真開發(fā)平臺自帶的漫游功能和碰撞檢測技術可為客艙內飾方案人機交互提供支持，漫游功能以基于C# 語言的腳本輔助Main Camera 追蹤實現(xiàn)。而交互界面則利用PS 等平面設計軟件制作成型，導入開發(fā)引擎后利用光效、聲音代碼生成虛擬交互，并配合攝像機腳本進行觸發(fā)轉場。為達到更加沉浸式的漫游體驗，避免Main Camera 與模型部件和環(huán)境產生干涉，需進行碰撞檢測的設置。本文將場景中的動畫按固定間隔劃分為相等的時間片段，在每個片段結尾采用碰撞檢測，以不漏掉每一關鍵時間幀。

2. 客艙內飾細節(jié)設計

完成虛擬仿真客艙環(huán)境搭建后，以環(huán)境初體驗為基礎確定了各項設計指標：將客艙內飾分為座椅、行李艙兩大部分進行設計調研。調研發(fā)現(xiàn)，通用飛機內飾中圖案應用得相對較少，特別是大面積圖案應用，會使原本不寬敞的空間視覺上顯得更加局促。但是，簡潔、細小而有規(guī)律的條紋或圖形適度應用，卻可以增加內飾的秩序感和裝飾感。圖案的應用一定要遵循對稱與均衡、比例與尺度、變化與統(tǒng)一、節(jié)奏與韻律等美學設計原則，努力調整人們的視覺心理感受?？紤]到對CR929 寬體大客機在國內和國際市場中的定位，商務艙、經(jīng)濟艙的外觀造型設計與傳統(tǒng)文化進行了充分結合。如圖7 為具有中國傳統(tǒng)樣式的一款設計草案。

（1）商務艙在座椅把手部分設計有凸起的回紋樣式，回紋作為較符合現(xiàn)代簡潔審美的傳統(tǒng)紋樣[7]，象征著連綿不絕、福壽永康， 表達了對乘客此次旅程的美好祝愿。而靠枕的設計則借鑒了古代傳統(tǒng)的方形枕，希望乘客能感受到如家一般的休息體驗。

（2）經(jīng)濟艙的扶手設計則將連接部分鏤空，使用祥云圖案，寓意吉祥幸福的愿望以及對生命的美好向往。與CR929 機身相符合的紅藍撞色設計，使用低飽和度中國傳統(tǒng)配色景泰藍和山黧豆紅，搭配以卷花草紋樣防塵巾。

（3）閱讀燈環(huán)繞以鏤空回紋雕刻外殼，與商務艙座椅扶手遙相輝映卻又不盡相同。由于閱讀燈為圓形，回紋的設計以窗花剪紙為靈感，形成重復構成的設計樣式?；丶y鏤空創(chuàng)造了局部化照明的條件， 便于營造出具有柔和光暈視覺的氛圍感的光影效果，在燈光設計中， 類似的照明效果會給燈下閱讀或使用電子設備的乘客帶來更加舒適平和的心理感受。

（4）行李艙扶手則借鑒中國傳統(tǒng)門鎖樣式——如意云紋，既象征著鎖住一生平安如意、寄托美好祝福和祥意，又和經(jīng)濟艙扶手祥云圖案相呼應，形成和諧統(tǒng)一的客艙內飾設計氛圍。另外，該形狀扶手后的正負卡扣設計在便于開艙存放行李的同時，也便于起飛前空乘人員觸摸檢查艙門關閉狀況。

飛機座椅的舒適性的好壞也包括很多方面，比如座椅本身的造型設計是否符合人機工學，座椅所用的材質是否舒服，飛機座椅的布局是否合理，乘客的活動范圍是否合適等。

根據(jù)人機工程學家研究，人體坐著最省力的角度是135°。從圖8 脊椎彎曲和姿態(tài)圖可以觀察出，各種坐姿中C 狀態(tài)下脊椎彎曲形狀與脊椎生理曲線最為接近。所以航空座椅在設計時按照C 姿態(tài)進行[8]。大部分飛機經(jīng)濟艙座位的標準間距，為32 英寸（81.3 厘米）， 公務艙為38 英寸（96.5 厘米）；而前排椅背到本排坐墊的距離大約是10 英寸（25.4 厘米）。

經(jīng)濟艙座椅在設計時，特于座椅背部適當高度安排法向“生理弧度”，一方面可以保證后排乘客腿部自由活動時雙膝足夠的舒適空間，并可為前排乘客提供符合人體坐姿脊椎健康需求的依靠。工程方面，“生理弧度”的設置可防止座椅受力時靠背處應力集中， 起到更好的支撐作用，保障客艙座椅的安全性。

商務艙的座椅頭枕靈感來源于古時的絹枕，整體較現(xiàn)有飛機座椅頭枕來說更為方正，便于創(chuàng)新性地引入“三向枕”概念，即上、左、右變方向調整頭枕角度。對人體坐姿頸椎活動空間的關注亦迎合了商務人士的差旅需求，為CR929 商務艙功能設計畫龍點睛。

3.3dsmax 建模

為了在Unity3D 中實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實動畫，首先需要按照設計構想在Rhino 中進行座椅和壁板的建模，并在3DsMax 中貼材質進行渲染。

鑒于本文的創(chuàng)新方向之一是外觀造型，因此在賦予模型材質時， 又加入了另外兩種備選方案進行交叉搭配實驗，以更好地模擬乘客在使用VR 眼鏡時的個性化操作。并利用VRay 燈光模擬不同時間場景的客艙內飾全景以及材質在該種環(huán)境下的變化，以評估座椅、舷窗壁板設計對乘客乘坐體驗的影響。如圖9、10 為Rhino 中的內飾模型與3dsmax 渲染效果。

4. 模型方案導入制作

完成內飾方案設計后，回到初步搭建好的CR929 客艙環(huán)境中進行模型導入，并調整Main Camera 位置距離參數(shù)，控制攝像機移動方位，如圖11 為Unity3D 編輯界面。而為了實現(xiàn)更加逼真的交互效果，又加入了第一人稱視角雙手姿勢來模擬乘客或空乘人員調整座椅、開關行李艙的動作。

5. 設計成果評估

導出設計方案后，邀請設計成員以及志愿者進行VR 環(huán)境下的操作試驗。操作流程大致分為如圖12 為虛擬仿真環(huán)境下的操作，在實驗過程中，參與人員反饋了包括座椅角度、行李艙把手操作等在內的方案問題以及程序交互界面和流暢度問題。經(jīng)后續(xù)調研和討論發(fā)現(xiàn)， 在預算充足的情況下，使用CAVE（洞穴自動虛擬環(huán)境）技術，部分分離顯示端與操作端，使交互程序鏡像化，可以營造一個三維感知環(huán)境，令參與者擁有更加沉浸式的交互體驗。

而方案問題的反饋在配合可視化的虛擬仿真環(huán)境條件下，更利于設計成員及時調整現(xiàn)有設計方案。如行李艙截面的再設計和內飾方案效果更新。

30 位受試者中，有16 人認為“行李艙高度合適”，但有超過10 人認為“開關艙門體驗較差”，另外，在認為“高度合適”的16 人中，有9 人認為“艙門打開角度不合適”。經(jīng)反饋代入，發(fā)現(xiàn)為行李艙中部寬度過窄導致開關艙門受限，因此改變了方案中行李艙截面造型、艙門曲線角度等參數(shù)。而就內飾配色而言，參與者則在實驗中提出了不同的觀感。為了方便后續(xù)工作的開展，基于5 分Likert 量表制作了如表2 所示的對于客艙內飾色彩紋樣描述同意程度的問卷。其中項目最關注的描述有“座椅配色讓我視覺上很舒適”“閱讀燈的鏤空效果讓我的閱讀順利進行”“座椅的紋樣讓我感到放松與平靜”，而問卷結果顯示，在座椅配色方面，約有7 位受試者選擇了“較為不同意”；座椅紋樣方面，約有6 位受試者選擇了“較為不同意”。以量表結果為基礎，項目另深入開展了小組訪談，依據(jù)所得建議意見， 成員針對色彩飽和度、紋樣繁復度又進行了內飾方案的改進。

四、基于虛擬仿真的客艙內飾創(chuàng)新的設計意義

結合本項目的初步研究，相比于傳統(tǒng)桌面端的交互界面，虛擬仿真的沉浸式交互界面能夠利用參與者的立體視覺展現(xiàn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)表達空間從二維平面轉向模擬客艙的三維空間。虛擬仿真創(chuàng)新更提供了設計的可移動性，由于航空產品設計生產的同步性和因子調研的滯后性，設計師不可能真正站在飛機內因地制宜開展設計工作。另外，平臺提供如手勢等自然的交互方式，甚至可以提供觸覺（例如抓握行李艙把手）、嗅覺等交互通道，讓參與者利用多通道自然而并行地與數(shù)據(jù)交互。因此虛擬仿真為客艙內飾設計創(chuàng)意的萌發(fā)提供了良好的土壤。

本文所構造的3D 模型產品在虛擬VR 環(huán)境中進行演示的項目方案，利用采集的真實數(shù)字搭建的模擬系統(tǒng)，在設計者和使用者之間進行便利的角色切換，增強設計師或使用者與設計環(huán)境之間的交互， 可以讓設計人員更好地了解空間中的功能、尺度、用途以及材質的變換，探究方案設計與設計實際落地之間是否存在問題與隱患，真正讓內飾設計做到為用戶著想。在虛擬現(xiàn)實平臺中進行客艙內飾的設計， 各部件皆共享同一個虛擬環(huán)境。在系統(tǒng)中采用虛擬原型，從而減少了設計圖像和創(chuàng)新型內飾進入市場的時間，這樣，方案在生產之前就可以進行客艙樣機的估算和測試，并且大大地提高了方案質量。

結語

虛擬仿真技術可以快速達到降低實驗成本和風險，并且實現(xiàn)良好的人機交互體驗。本文創(chuàng)新性地將發(fā)展較為成熟的游戲設計同環(huán)境設計相結合，利用虛擬仿真平臺生成交互動畫，模糊設計師與使用者間的界限。旨在打造融入VIS 設計特點，最大程度上呈現(xiàn)CR929 寬體客機中華文化特色與國際視野，并結合客戶體驗、人機交互相關方案形成包含客艙人機設計、造型設計、色彩設計3 個環(huán)節(jié)在內的創(chuàng)新型設計，為中國民航領域客艙內飾設計提供新的設計手段和思路。

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